普通螺栓的連接方式及計算

1、 第三章 連接返回 §3-5普通螺栓的構(gòu)造和計算3.5.1螺栓的排列和其他構(gòu)造要求一、螺栓的排列螺栓在構(gòu)件上排列應(yīng)簡單、統(tǒng)一、整齊而緊湊，通常分為并列和錯列兩種形式（圖3.5.1）。并列比較簡單整齊，所用連接板尺寸小，但由于螺栓孔的存在，對構(gòu)件截面削弱較大。錯列可以減小螺栓孔對截面的削弱，但螺栓孔排列不如并列緊湊，連接板尺寸較大。螺栓在構(gòu)件上的排列應(yīng)滿足受力、構(gòu)造和施工要求：（1）受力要求：在受力方向螺栓的端距過小時，鋼材有剪斷或撕裂的可能。各排螺栓距和線距太小時，構(gòu)件有沿折線或直線破壞的可能。對受壓構(gòu)件，當(dāng)沿作用方向螺栓距過大時，被連板間易發(fā)生鼓曲和張

2、口現(xiàn)象。（2）構(gòu)造要求：螺栓的中矩及邊距不宜過大，否則鋼板間不能緊密貼合，潮氣侵入縫隙使鋼材銹蝕。（3）施工要求：要保證一定的空間，便于轉(zhuǎn)動螺栓板手?jǐn)Q緊螺帽。根據(jù)上述要求，規(guī)定了螺栓（或鉚釘）的最大、最小容許距離，見表3.5.1。螺栓沿型鋼長度方向上排列的間距，除應(yīng)滿足表3.5.1的要求外，尚應(yīng)滿足附錄10螺栓線距的要求。二、螺栓的其他構(gòu)造要求螺栓連接除了滿足上述螺栓排列的容許距離外，根據(jù)不同情況尚應(yīng)滿足下列構(gòu)造要求：（1）為了使連接可靠，每一桿件在節(jié)點上以及拼接接頭的一端，永久性螺栓數(shù)不宜少于兩個。但根據(jù)實踐經(jīng)驗，對于組合構(gòu)件的綴條，其端部連接可采用一個螺栓。（2）對直接承受動力荷載的普通螺

3、栓連接應(yīng)采用雙螺帽或其他防止螺帽松動的有效措施。例如采用彈簧墊圈，或?qū)⒙菝被蚵輻U焊死等方法。（3）由于C級螺栓與孔壁有較大間隙，只宜用于沿其桿軸方向受拉的連接。承受靜力荷載結(jié)構(gòu)的次要連接、可拆卸結(jié)構(gòu)的連接和臨時固定構(gòu)件用的安裝連接中，也可用C級螺栓受剪。但在重要的連接中，例如：制動梁或吊車梁上翼緣與柱的連接，由于傳遞制動梁的水平支承反力，同時受到反復(fù)動力荷載作用，不得采用C級螺栓。柱間支撐與柱的連接，以及在柱間支撐處吊車梁下翼緣的連接，因承受著反復(fù)的水平制動力和卡軌力，應(yīng)優(yōu)先采用高強度螺栓。（4）沿桿軸方向受拉的螺栓連接中的端板（法蘭板），應(yīng)適當(dāng)加強其剛度（如加設(shè)加勁肋），以減少撬力對螺栓抗拉

4、承載力的不利影響。3.5.2普通螺栓的受剪連接普通螺栓連接按受力情況可分為三類：螺栓只承受剪力；螺栓只承受拉力；螺栓承受拉力和剪力的共同作用。下面先介紹螺栓受剪時的工作性能和計算方法。一、受剪連接的工作性能抗剪連接是最常見的螺栓連接。如果以圖3.5.2（a）所示的螺栓連接試件作抗剪試驗，可得出試件上a、b兩點之間的相對位移與作用力N的關(guān)系曲線（圖3.5.2b）。該曲線給出了試件由零載一直加載至連接破壞的全過程，經(jīng)歷了以下四個階段：（1）摩擦傳力的彈性階段  在施加荷載之初，荷載較小，荷載靠構(gòu)件間接觸面的摩擦力傳遞，螺栓桿與孔壁之間的間隙保持不變，連接工作處于彈性階段，在N-

5、圖上呈現(xiàn)出0，1斜直線段。但由于板件間摩擦力的大小取決于擰緊螺帽時在螺桿中的初始拉力，一般說來，普通螺栓的初拉力很小，故此階段很短。（2）滑移階段  當(dāng)荷載增大，連接中的剪力達(dá)到構(gòu)件間摩擦力的最大值，板件間產(chǎn)生相對滑移，其最大滑移量為螺栓桿與孔壁之間的間隙，直至螺栓與孔壁接觸，相應(yīng)于N-曲線上的1，2水平段。（3）栓桿傳力的彈性階段  荷載繼續(xù)增加，連接所承受的外力主要靠栓桿與孔壁接觸傳遞。栓桿除主要受剪力外，還有彎矩和軸向拉力，而孔壁則受到擠壓。由于栓桿的伸長受到螺帽的約束，增大了板件間的壓緊力，使板件間的摩擦力也隨之增大，所以N-曲線呈上升狀態(tài)。達(dá)到

6、“3”點時，曲線開始明顯彎曲，表明螺栓或連接板達(dá)到彈性極限，此階段結(jié)束。受剪螺栓連接達(dá)到極限承載力時，可能的破壞形式有：當(dāng)栓桿直徑較小，板件較厚時，栓桿可能先被剪斷（圖3.5.3a）；當(dāng)栓桿直徑較大，板件較薄時，板件可能先被擠壞（圖3.5.3b），由于栓桿和板件的擠壓是相對的，故也可把這種破壞叫做螺栓承壓破壞；端距太小，端距范圍內(nèi)的板件有可能被栓桿沖剪破壞（圖3.5.3c）；板件可能因螺栓孔削弱太多而被拉斷（圖3.5.3d）。上述第種破壞形式由螺栓端距l(xiāng)12d。表保證；第種破壞屬于構(gòu)件的強度驗算。因此，普通螺栓的受剪連接只考慮、兩種破壞形式。二、單個普通螺栓的受剪計算普通螺栓的受剪承載力主要由

7、栓桿受剪和孔壁承壓兩種破壞模式控制，因此應(yīng)分別計算，取其小值進(jìn)行設(shè)計。計算時做了如下假定：栓桿受剪計算時，假定螺栓受剪面上的剪應(yīng)力是均勻分布的；孔壁承壓計算時，假定擠壓力沿栓桿直徑平面（實際上是相應(yīng)于栓桿直徑平面的孔壁部分）均勻分布?？紤]一定的抗力分項系數(shù)后，得到普通螺栓受剪連接中，每個螺栓的受剪和承壓承載力設(shè)計值如下：三、普通螺栓群受剪連接計算1、普通螺栓群軸心受剪試驗證明，螺栓群的受剪連接承受軸心力時，與側(cè)焊縫的受力相似，在長度方向各螺栓受力是不均勻的（圖3.5.4），兩端受力大，中間受力小。當(dāng)連接長度l115d0（d0為螺孔直徑）時，由于連接工作進(jìn)入彈塑性階段后，內(nèi)力發(fā)生重分布，螺栓群中

8、各螺栓受力逐漸接近，故可認(rèn)為軸心力N由每個螺栓平均分擔(dān)，即螺栓數(shù)n為：當(dāng)l1>15d0時，連接進(jìn)入彈塑性階段后，各螺桿所受內(nèi)力仍不易均勻，端部螺栓首先達(dá)到極限強度而破壞，隨后由外向里依次破壞。根據(jù)試驗，并參考國外的規(guī)定，我國規(guī)范規(guī)定，當(dāng)l1>15d0時，應(yīng)將承載力設(shè)計值乘以折減系數(shù)：則對長連接，所需抗剪螺栓數(shù)為：2、普通螺栓群偏心受剪圖3.5.5示螺栓群承受偏心剪力的情形，剪力F的作用線至螺栓群中心線的距離為e，故螺栓群同時受到軸心力F和扭矩T=Fe的聯(lián)合作用在軸心力作用下可認(rèn)為每個螺栓平均受力，即：3.5.3普通螺栓的受拉連接一、普通螺栓受拉的工作性能沿螺栓桿軸方向受拉時，一般很

9、難做到拉力正好作用在螺桿軸線上，而是通過水平板件傳遞，如圖3.5.6所示。若與螺栓直接相連的翼緣板的剛度不是很大，由于翼緣的彎曲，使螺栓受到撬力的附加作用，桿力增加到：Nt=N+Q式中Q稱為撬力。撬力的大小與翼緣板厚度、螺桿直徑、螺栓位置、連接總厚度等因素有關(guān)，準(zhǔn)確求值非常困難。為了簡化計算，我國規(guī)范將螺栓的抗拉強度設(shè)計值降低20%來考慮撬力影響。例如4.6級普通螺栓（3號鋼做成），取抗拉強度設(shè)計值為：這相當(dāng)于考慮了撬力Q=0.25N。一般來說，只要按構(gòu)造要求取翼緣板厚度t20mm，而且螺栓距離b不要過大，這樣簡化處理是可靠的。如果翼緣板太薄時，可采用加勁肋加強翼緣，如圖3.5.7所示。二、單

10、個普通螺栓的受拉承載力采用上述方法考慮撬力之后，單個螺栓的受拉承載力的設(shè)計值為：三、普通螺栓群受拉1、栓群軸心受拉圖3.5.8示栓群軸心受拉，由于垂直于連接板的助板剛度很大，通常假定各個螺栓平均受拉，則連接所需的螺栓數(shù)為：2、栓群承受彎矩作用圖3.5.9所示為螺栓群在彎矩作用下的受拉連接（圖中的剪力V通過承托板傳遞）。按彈性設(shè)計法，在彎矩作用下，離中和軸越遠(yuǎn)的螺栓所受拉力越大，而壓力則由部分受壓的端板承受，設(shè)中和軸至端板受壓邊緣的距離為c（圖3.5.9c）。這種連接的受力有如下特點：受拉螺栓截面只是孤立的幾個螺栓點；而端板受壓區(qū)則是寬度較大的實體矩形截面（圖3.5.9b、c）。當(dāng)計算其形心位置

11、作為中和軸時，所求得的端板受壓區(qū)高度c總是很小，中和軸通常在彎矩指向一側(cè)最外排螺栓附近的某個位置。因此，實際計算時可近似地取中和軸位于最下排螺栓O處，即認(rèn)為連接變形為繞O處水平軸轉(zhuǎn)動，螺栓拉力與O點算起的縱坐標(biāo)y成正比。在對O點水平軸列彎矩平衡方程時，偏安全地忽略了力臂很小的端板受壓區(qū)部分的力矩。3、栓群偏心受拉螺栓群偏心受拉相當(dāng)于連接承受軸心拉力N和彎知M=Ne的聯(lián)合作用。按彈性設(shè)計法，根據(jù)偏心距的大小可能出現(xiàn)小偏心受拉和大偏心受拉兩種情況。（1）小偏心受拉當(dāng)偏心較小時，所有螺栓均承受拉力作用，端板與柱翼緣有分離趨勢，故在計算時軸心拉力N由各螺栓均勻承受；彎矩M則引起以螺栓群形心O為中和軸的三角形內(nèi)力分布（圖3.5.10a、b），使上部螺栓受拉，下部螺栓受壓；疊加后全部螺栓均受拉。可推出最大、最小受力螺